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自认没资格为科学家们作传，说一说自己心目中的印象倒是有资格的，每个人都有。 伽利略.伽利雷，伽利略是名字，伽利雷是姓，1564年出生于意大利比萨城，1642年去世，活了76岁。
那个时候没有照片，找到的都是画像，彼此都不怎么像，但有一些共同点，我把这些共同特征画出来，是不是就是伽利略了？所以这幅画，并没有唯一的素材，呵呵。 说到伽利略，最容易想到的就是比萨斜塔的铁球实验。 这个故事是伽利略晚年收的学生V.维维利亚讲出来的，伽利略自己的手稿里没有讲过。 故事很简单，伽利略在比萨斜塔上把重量分别为一磅和十磅的两个铁球一起扔下，两个铁球同时落地，把旁观者惊得目瞪口呆，据说这个结果推翻了在运动问题上统治了近两千年的亚里士多德观点。 这个故事有没有发生过，是有争议的，但我不关心。 它的结果是没有问题的，学过力学的人都知道。 我感到疑惑的是，铁球同时落地，真就推翻了亚里士多德的观点吗？那么亚里士多德到底说了什么？ 亚里士多德明确表达过的观点是，'物体要维持运动，必须有一个推动者’，他的意思是，推动者提供的推动力，是运动形成和维持的原因，没有力就没有运动，那么一个合理的推理是，其他条件相同的情况下，力越大，运动速度越快，因为速度是运动的标志，速度为零，就意味着没有运动。 按照现代科学的观点，亚里士多德错在哪里？ 牛顿第二定律告诉我们，加速度和力成正比，和质量成反比，质量相同时，力越大，加速度越大。 看出根本分歧了吧？亚里士多德认为，推动力是运动的原因，没有力就不会运动，力作用于速度。现代科学认为，力是运动改变的原因，没有力速度就不会变，力作用于加速度。 回到比萨斜塔的实验，两种观点的预测会有什么不同？ 自由落体的作用力是重力，是恒定的，按亚里士多德的观点，力不变，速度就不变，自由落体应该是匀速运动，按现代科学观点，力不变，加速度不变，自由落体是匀加速运动。 在比萨斜塔实验中，只要证明铁球在做匀加速运动，亚里士多德的观点就被推翻了，也只有证明了这一点，亚里士多德的核心观点，才能够真正被推翻。 这和两个铁球同时落地有关系吗？一毛钱关系也没有。
画到这一步，好像能够混进伽利略的其他画像里去了哈。 画面是揉擦过的，不是为了细腻柔和，是想要偷懒，尽快把明暗关系表现出来。 继续讲，现代科学能不能预测出两个铁球同时落地？能，因为质量和加速度反比，而重力又和质量正比，因此重力和质量之比是恒定的，重的铁球重力大，质量也大，轻的铁球重力小，质量也小，因此在自由落体时，两者加速度一样，同时从零速开始下落，必然同时落地。 如果亚里士多德也知道质量是运动的阻碍因素，他就也会预测两个铁球同时落地，因为重力大质量也大，比值不变，所以两者的速度一样。 重的物体更难推动，这是一个明显的日常经验，亚里士多德会忽略这一点吗？我不知道，也许吧。 如果亚里士多德明确表示过，重的铁球会先落地，说明他没有注意到质量的阻碍作用，遗漏了，那么铁球同时落地，会指明他的遗漏，但并不能推翻他的基本观点。 现在明确了，在比萨斜塔实验中，两个铁球同时落地，证明的是质量是运动的阻碍因素这一点，如果亚里士多德是正确的，那么质量和速度反比，如果现代科学是正确的，那么质量和加速度反比，只有这样，才能解释同时落地现象。 如果伽利略真做过比萨斜塔实验，而且把重点放在两个铁球是否同时落地上，那么他想要验证的，应该就是质量与运动的关系，证明质量的确和加速度成反比。 在所有讲述比萨斜塔故事的文字中，有没有人说过，伽利略据此证明了铁球是在做匀加速运动？没有，至少我没有见到过，那么凭什么说这就推翻了亚里士多德？人云亦云而已，自己都不带动脑子的。
还有些细节需要改，比如两侧头发好像有点不对称？ 比萨斜塔实验能不能证明铁球是在做匀加速运动？现在可以，用数码相机的连拍功能，只要快速拍下的照片之间，铁球位置的差距越来越大，而且是等差数列关系，就足够证明了。 伽利略时代行不行？至少很难。 但伽利略的确通过实验证明了，受力不变的情况下，物体是做匀加速运动的，说伽利略通过实验结果推翻了亚里士多德的观点，并没有错。 但不是在比萨斜塔实验中，而是在一系列斜面运动的实验中实现的，因为斜面运动比自由落体慢很多，容易测量。 在伽利略的手稿里，记录了一组数据，在1到8个时间单位里（这个单位不一定是秒），物体从斜面上下落的距离，分别是： 32、130、298、526、824、1192、1600、2104。 用32去除这组数据，会得到： 1、4.06、9.31、16.4、25.76、37.25、50、65.75。 看上去它们很像是1到8的平方，因为测量误差而偏离了的，因此实际应该是1、4、9、16、25、36、49、64。 它们间的差值是3、5、7、9、11、13、15，等差数列。 这说明每个时间间隔走过的距离，都比上一个间隔多出固定的一段来，典型的匀加速运动数据。 看到吗？伽利略真的通过实验结果，推翻了亚里士多德关于运动原因的错误观点。 这组数据我是在网上看到的，说是来自伽利略手稿，本来没必要怀疑的，数据很合理，因为存在偏差，这是任何真实实验数据的特征。 但文字中说，这是伽利略对铜球从斜面上滚落的距离测出的数据，我就有疑问了，没有摄影技术，也没有秒表的伽利略时代，能够测出如此准确的数据吗？ 以前看到过一个说法，这个实验伽利略不是用铜球做的滚动实验，是用一个小车做的，小车上放了一个有孔容器，里边盛了墨水，墨水以相等时间间隔滴落，伽利略测量的是每一滴墨水和起点之间的距离。 这样就能够解释通了，这样的实验是伽利略时代的条件能够做到的，可是，我忘记这个说法是什么地方看到的了，这次在网上没有查到。 伽利略的斜面运动实验是一系列的，比如斜面角度不同的实验，斜面角度越大，加速度越大，说明加速度和力成正比。 而在相同斜面角度下，物体质量对加速度没有影响，这间接表明了质量是阻碍加速度的因素。 你看，到这里牛顿第二定律已经呼之欲出了，都在嗓子眼上了，不得不为伽利略遗憾，怎么就不用心总结表达出来？ 斜面实验还有一组，在不同的摩擦力条件下做的，让铜球从斜面滚落地面以后，分别在不同光滑程度的地面上滚动，发现越光滑的地面，滚动距离越远，发现了摩擦力的存在。 并且伽利略还做出了一个理想推理：如果地面是绝对光滑的，那么滚动起来的铜球会没完没了地滚动下去。 伽利略这样表达他的理想推理结果，如果没有外力，运动物体会保持匀速运动。 这其实是惯性定律，也就是牛顿第一定律的粗略版本。 这也解释了亚里士多德为什么会弄错：因为地球上摩擦力无处不在，没有推动力之后，运动物体迟早会停下来，没有例外，所以亚里士多德会认为没有推动力就不会有运动，是摩擦力惹的祸。 当然，亚里士多德的推理也有错，按他的观点，推动力消失之后，运动物体应该立即停下来，那怎么解释停止推动以后的减速运动过程？ 在伽利略之前，至少有好几个留下了姓名的人，质疑过亚里士多德的观点，但一劳永逸地推翻亚里士多德的，还是伽利略的斜面实验数据，启发牛顿发现第一第二定律的，仍然是这些数据。 伽利略身体力行地推行了他的科学主张：要通过实验的数据，而不是仅仅通过观察和逻辑推理来认识世界，这是现代科学从西方自然哲学中分离出来的独立宣言。 再加上伽利略的一系列实验对牛顿第一第二定律的启发作用，如果称伽利略为现代科学的先驱者，他是当之无愧的。
伽利略的画像，这下子又多了一幅哈。 伽利略的时代，是大师并出的时代，因为人类知识领域还处处都是处女地，任何一个足够勤勉也足够聪明的人，都可以开垦出自己的领地，而且可以跨领域发展，因为知识王国里还没有那么多篱笆墙。 伽利略就是这样一个跨领域发展的大师。 温度计是他发明的，望远镜也是，不过，据说伽利略是听说一个荷兰眼镜工匠弄出了这么个东西，好奇中在没有见到实物的情况下，自己琢磨出了原理然后制造出来的，一开始放大倍数只有三倍，后来改进到九倍，最后达到33倍。 此说如果属实，那么世界上第一个望远镜就不是伽利略做出来的了，但那个荷兰工匠名字都没有留下来，而这种类型的望远镜则叫做伽利略望远镜。 伽利略还造出过显微镜，但作为发明家，伽利略是玩票性质的，因为他发明的目的是自己用。 有了望远镜，伽利略在天文学上有了一系列发现，看见了环形山的阴影，就知道月球自己是不发光的，它的光亮来自太阳，而且所有行星都是这样，他发现了木星的四颗卫星，发现了太阳黑子，他还提出了银河是由无数恒星组成的，而在天文学方面一系列的发现之后，伽利略在托勒密的地心说和哥白尼的日心说之间选边站队了，他支持日心说。 那时的欧洲，是教廷的天下，支持日心说是政治上的不正确，神父们承认了伽利略的观察事实，不承认也没用，不知道多少有身份的人凑到伽利略的望远镜前看过，但否定了他在此基础上得出的看法。 伽利略争辩说日心说和教义可以协调，请求不要因他内心支持哥白尼而处罚他，教廷同意了，他进一步请求允许他为哥白尼辩护，则被严厉拒绝了，禁止他以言论或文字等任何形式支持日心说，但允许他以中立态度写一本介绍地心说和日心说的书，要求对两者的介绍都要从数学假设角度去说明。 于是伽利略写出了他的名著《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，并且获得了教廷的出版许可，但很快就有人控告他在书中名为中立，实际上偏袒日心说，而且有很多对教皇和主教的暗讽，于是在半年后此书就被禁止出版了。 宗教裁判所还判决伽利略终身监禁，要求他跪在地上在悔过书上签字，他都照办了，没有反抗也没有辩护，伽利略是一个科学家，也是虔诚的基督徒，他不是斗士，他认为宗教的责任是管理人们的灵魂，而探索大自然是科学的事情，宗教不应该干预科学，但他没有为此而争辩。 对伽利略的判决后来改为软禁，一直到伽利略去世都没有解除，三百多年后，在1979年，教皇保罗二世代表罗马教廷为伽利略公开平反，这个平反对伽利略的历史地位已经没有任何影响，但对教廷自身却影响重大，可以从科学对立面的位置上解放出来，时代变了，科学已经不是任何宗教可以压制的了。 伽利略也可以算一个数学家，比如他发现了摆线。 伽利略还提出了运动的相对性原理，这不是爱因斯坦的相对论，爱因斯坦把它称之为伽利略相对性原理，而相对论依据的是洛伦兹变换所体现的洛伦兹相对性原理，两者是大不相同的，爱因斯坦正是用洛伦兹变换替代了伽利略变换。 伽利略相对性原理很容易理解，比如列车以六十公里时速在前进，你在列车上以五公里时速向后面车厢走，那么你相对于地面的时速就是五十五公里，就这么简单。 原理虽然简单，但提出了一个重要观点，任何运动描述都要有参照物才有意义，一个物体是静止的，是以大地作为参照系的描述，在日心—恒星参照系里，它在跟随地球运动。 伽利略建立了速度和加速度等参数的数学定义，让运动学和动力学的讨论可以利用上数学工具。 伽利略还研究过力的合成，研究过材料力学和弹性，他提出相同材料的物体等比例放大后自身强度会降低，他说，一只狗背上可以驮两三只狗，一匹马却驮不起另一匹马，因此，工程中结构的尺寸不能无限放大，到一定程度就会因为自重的原因无法承受。 一个伟大的物理学家，然后是天文学家和数学家，还是一个发明家，但不是一个斗士，这就是我对伽利略的印象。 记住伽利略的一系列斜面运动实验吧，因为这一系列实验才是实验物理学的真正开端，至于比萨斜塔的故事，就不要再结合亚里士多德的观点去讲了，有点丢人现眼哈。 |
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